專利名稱：具有反射器的光聲氣體傳感器及優(yōu)化該反射器型廓的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個光聲氣體傳感器具有一個測量單元和一個參考單元，一個發(fā)射器裝置和一個微音器裝置用于測量在測量單元和參考單元之的壓力差，其中該測量單元具有一個進(jìn)入窗口用于該從發(fā)射器裝置發(fā)出的射線以及該發(fā)射器裝置具有一個光源以及一個使這從光源發(fā)出的光線聚焦在測量單元中的反射器。
背景技術(shù)：
為了能夠?qū)⒈M可能多個這樣的傳感器不用另外的輔助供能而可以連接到一個共同的中央單位上則要求，這些傳感器具有一個盡可能低的能量消耗。換言之這就意味著，每個傳感器被提供相對較少的功率，因此該傳感器信號是相對較弱的，從而必須找出在能量消耗和伩號-/噪聲比之間的一個平衡。一個為了解決這一任務(wù)的可能方案在于，提高該發(fā)射器裝置的效率和使該發(fā)射器裝置之盡可能多的射線到達(dá)該測量單元中。
在開頭所稱類型之迄今公知的光電氣體傳感器中要么沒有設(shè)置用于提高該發(fā)射器裝置之效率的措施或者應(yīng)用了通過平面鏡或通過拋物面鏡構(gòu)成的反射器。對此例如在DE-A-4018393中僅僅提及了描述的光聲氣體傳感器，該發(fā)射器裝置包含一個紅外線發(fā)射器。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)在通過本發(fā)明應(yīng)該提供一個開頭所稱類型的光聲氣體傳感器，它的發(fā)射器裝置具有一個盡可能高的效率，為的是，該氣體傳感器可以盡可能低的能量消耗地運行。
這個任務(wù)按照本發(fā)明如此解決，即該發(fā)射器裝置被安置在該測量單元的進(jìn)入窗口之盡可能的鄰近，并且該反射器具有一個橢圓體形的結(jié)構(gòu)造型以及由相互無縫地過度的并通過對中的橢圓體分段構(gòu)成的弧段所構(gòu)成。
本發(fā)明氣體傳感器的一個第一優(yōu)選實施例之特征在于該光源通過一個微型白熾燈構(gòu)成并且軸向地被安裝在傳感器中。
一個第二優(yōu)選實施例之特征在于該反射器由金屬或鏡面化的塑料構(gòu)成。
本發(fā)明還涉及一個用于最優(yōu)化設(shè)置所稱反射器之型廓的方法。這個方法之特征在于如下的步驟a，將光源的頂點定位在一個離該測量單元之進(jìn)入窗口的確定小的間距上，b，確定這由光源通過進(jìn)入窗口直接進(jìn)入到測量單元(1)中的光線，c，如此地確定該反射器之型廓的這些單個的弧段以使從每個弧段進(jìn)入該測量單元中的光線最多化，d，確定從整個反射器射入該測量單元中的光線，和e，移動該光源之頂點的位置并重復(fù)該步驟b至d直到找出該反射器的一個最佳的型廓，其中該按照步驟b和d所確定的光線份額之總和達(dá)到一個最大值。
確定該反射器之型廓的這些單個的弧段通過加下的步驟實現(xiàn)a，確定該反射器之與光源相鄰的、里邊的起始點，(確定)該第一弧段的寬度和一個在該測量單元之軸線上安置的第一點；b，通過所述里邊的起始點設(shè)置一個橢圓體，它的第一焦點位于該光源之螺旋絲位置上，并且它的第二焦點通過在該測量單元的軸線上的所述第一點構(gòu)成；c，在軸向上移動該所稱的第一點到一個第二點的位置上，其中該從第一反射器弧段射入測量單元中的光線是最多的，因此在反射器之型廓上一個第二點被確定，該點離所述里邊的起始點具有一個和該第一弧段之寬度對應(yīng)的間距；d，確定該第二弧段的寬度并且通過在反射器之型廓上所稱的第二點設(shè)置一個橢圓體，其中這個橢圓體的第一焦點通過光源之螺旋絲構(gòu)成，並該第二焦點通過在測量單元之軸線上所稱的第二點構(gòu)成；e，在軸向上移動該所稱第二點到一個第三點位置上，其中從第二反射器弧段射入測量單元中的光線是最多的；因此在反射器的型廓上一個第三點被確定，其離該反射器上的所稱第二點具有一個和該第二弧段之寬度對應(yīng)的間距；f，重復(fù)步驟d和e直至該反射器的型廓完整了。
所稱的在光源之頂點和測量單元之進(jìn)入窗口之間的小間距優(yōu)選地計為不大于3mm。


下面借助一個實施例和附圖詳細(xì)地解釋本發(fā)明。它表明圖1是一個本發(fā)明光聲氣體傳感器的分解圖，圖2是圖1之氣體傳感器的一個細(xì)節(jié)圖，圖3是一個用于解釋該氣體傳感器之制造的一個第一示意草圖，圖4是一個用于解釋該氣體傳感器之制造的一個第二示意草圖，和圖5是圖1之氣體傳感器的一個細(xì)節(jié)的截面圖。
具體實施例方式
在圖1中描述的光聲氣體傳感器包括一個測量單元1，一個參考單元2，一個在這兩個單元1和2之間安置的雙向差值微音器3，一個與測量單元1對應(yīng)配置的微型白熾燈4和一個帶有一反射器24的反射器殼體5(圖5)以用于將由微型白熾燈4發(fā)出的射線聚焦到一個‘在該測量單元1之面對該微型白熾燈4的那側(cè)壁上安置的’窗口上，在其中安裝一個紅外線-帶通過濾器6。測量單元1和參考單元2在結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)置方面絕對是等同的。不僅該測量單元1而且該參考單元2在一外側(cè)壁上都設(shè)有一個通孔，其中安裝一個透氣的膜片7及7’。該差值微音器3被安裝在一個微音器印刷(電路板)8上并且相對該差值微音器3的兩個側(cè)面各設(shè)置一個密封結(jié)構(gòu)9(有選擇的)。該微型白熾燈4同樣被安裝在一個燈印刷(電路板)上，其以參考編號10標(biāo)明。
基于從微型白熾燈4發(fā)出之射線的發(fā)射功率和聚焦的原因，該反射器殼體5盡可能地被安置在測量單元1的附近，但是不需要強制性地與這個相聯(lián)系。出于光學(xué)上的考慮和由于該微型白熾燈4之螺旋絲的定向，該最后者(微型白熾燈)被安裝在該氣體傳感器的縱向軸上。該微型白熾燈4被焊接在該燈印刷(電路板)4上，其與反射器殼體5牢固地連接。該反射器24被如此設(shè)置，以便它使得該微型白熾燈4之進(jìn)入到測量單元1的射線最多化。它(反射器)由對中的橢圓體分段構(gòu)成，其是相互無縫地過度的并且其中每個(橢圓體)本身將該微型白熾燈4之這些進(jìn)入的光線最佳地聚焦到測量單元中。
該微型白熾燈4發(fā)射一個直至紅外線區(qū)域中的寬光譜的光線；在大多數(shù)情況中對于氣體檢測應(yīng)用一個在紅外線區(qū)域中的光譜線。該紅外線-帶通過濾器6具有一個對于所要檢測之氣體表明特征的并為一個窄光譜帶形式的通過區(qū)域，該光譜帶適合于證明處在4.25μm的CO2，處在10μm的NH3和處在3.4μm的CH4。這種要被證明的氣體通過兩個透氣的膜片7和7’到達(dá)該測量單元1中及參考單元2中。這在測量單元1中存在的氣體通過該微型白熾燈4之調(diào)制了的光線被照射。該氣體就吸收該光射線并因此自身加熱。由此產(chǎn)生一個熱力膨脹并且根據(jù)該光射線的調(diào)制產(chǎn)生一個周期性的壓力波動，因此引起一個聲學(xué)的壓力波，它的強度處于相對該氣體濃度的直接比例關(guān)系中。
從外部到達(dá)該膜片7，7’上的干擾聲則通過這些(膜片)被減弱地各以等同的強度出現(xiàn)在測量單元1中和參考單元2中。這種干擾聲因此直接地在微音器3之膜片上得以補償，同時不會產(chǎn)生大的必須以電子技術(shù)被消減的信號。因為在該微音器膜片的兩個側(cè)面上占有這同樣的壓力波動，故在這個(膜片)上存在一個對因干擾聲引起之信號的直接地物理消減作用，所以該微音器膜片根本就不會被偏移。該微音器膜片因此直接地提供這個‘通過該氣體在測量單元1中引起的’聲學(xué)壓力以及進(jìn)而那要尋找的濃度。
該微音器3是一個所謂的“噪聲消除”微音器，如它在移動電話中應(yīng)用的那樣。當(dāng)這個微音器作為差值微音器應(yīng)用并被安裝在兩個聲學(xué)上實際封閉的單元-亦即在測量單元1和參考單元2-之間時，表明很好的是，(具有)按所提任務(wù)要求來加工處理的特性。
在圖2中描述了該微音器3的截面圖。這個按照附圖包括一個單側(cè)敞開的殼體G并為一個盒件的結(jié)構(gòu)形式，它的底部由該微音器的前面?zhèn)刃纬伞Ｔ谶@個底部中設(shè)置了(一些)通孔11用于聲音通過以到達(dá)這‘在殼體10之底部和一個金屬-反電極(Backelektrode)12之間被夾緊的金屬化塑料制成的’微音器膜片13。該殼體18的這側(cè)壁是在該微音器的背側(cè)面處被包圍卷邊的并且固定住一個背壁14，其被設(shè)有小的補償孔，所謂的反向孔(Back Ports)并且在它的面對該金屬-反電極12的內(nèi)側(cè)面上載有一個FET16和在它的外側(cè)面上載有兩個圓形電極17和19。
該補償孔15對于低的頻率來說是足夠大了并且使得該微音器3的頻率特性直至下邊的角頻率(Eckfrequenz)變平坦了。這個下邊的角頻率是通過該膜片13的電容和所應(yīng)用的阻抗轉(zhuǎn)換器的輸入電阻確定的并且處在明顯地低于10Hz，優(yōu)選在1和4Hz之間，因此該信號在工作頻率為大約20至30Hz情況下被該下邊的角頻率只有非實質(zhì)性地影響。
該微音器3被固定在微音器印刷(電路板)8上，其具有一個環(huán)槽19用于該微音器3之卷邊的定位，環(huán)形的接觸腹板20和21用于兩個圓形電極17及18，以及一個環(huán)槽22帶有幾個從環(huán)槽的基底通過微音器印刷(電路板)8導(dǎo)引的通孔23。通孔23和環(huán)槽22能使空氣及聲音從外部進(jìn)入到該補償孔15去，同時不用這些(15)必須被對準(zhǔn)在微音器印刷(電路板)8上任何-哪些通孔上。
該微音器3和微音器印刷(電路板)8不需要在裝設(shè)時被對準(zhǔn)定向，因此能實現(xiàn)一個容易應(yīng)用機器手的裝配。該裝配還通過該環(huán)槽19被簡便化，其(19)導(dǎo)引該微音器3以它的殼體卷邊在定位時自動地進(jìn)入該正確位置上。該圓形電極17和18與該印刷電路極17以導(dǎo)電環(huán)氧樹脂(Leitepoxy)相粘接并電氣連接。測量單元1，參考單元2和反射器殼體5的外輪廓是連續(xù)不變的，因此這些構(gòu)件可以作為連續(xù)輪廓成本低廉地拉制形成并且所必需的加工被降低到一個最小量。
在該氣體傳感器之制造方法的框架內(nèi)實現(xiàn)該傳感器之這些單個構(gòu)件的制造/制備，亦即該反射器殼體5，兩個用于測量單元1和參考單元2的單元本體，帶通濾波器6，微音器3和微型白熾燈4。該帶通濾波器6被粘接到測量單元1中并此后該微音器3被安裝在微音器印刷(電路板)8上。測量單元1和參考單元2最好由鋁或鋅壓鑄件構(gòu)成。
接著，這些構(gòu)件被組裝為一個由圖4表示的測量模件M，其通過圖3中描述的堆疊加工-程序列(Batch-Stapelverarbeitung)實現(xiàn)。其中總是一個參考單元2與該被裝備的微音器印刷(電路板)8，測量單元1，這包含反射器24的反射器殼體5-其中安裝了該微型白熾燈4-和被裝設(shè)的燈印刷(電路板)10被連接為一個堆疊件，這個既可以通過粘接實現(xiàn)或者通過壓緊一起地實現(xiàn)。在該第一種情況下該密封結(jié)構(gòu)9(圖1)是不需要的，因為通過粘接連接該單元本體1和2的內(nèi)部已被密封了。該壓緊在一起則借助一個在傳感器的縱向上(圖3中箭頭的方向)起作用的彈性機構(gòu)例如一個夾子實現(xiàn)。
接著，在該制成的測量模件M之測量單元1和參考單元2中裝入該膜片7，7’并且最后將該測量模件M裝設(shè)到一個模件印刷(電路板)P上，這個可以通過粘接或焊接實現(xiàn)。這個予先裝配的測量模件M是完整的和有功能的并且可以首先作為單元被檢測的，然后它被裝設(shè)在該模件印刷(電路板)P上。該測量模件M可以作為輔助-模件(Sub-Modul)如一個結(jié)構(gòu)件一樣地被接合在任何其他的印刷電路板上，同時對于該微音器3，反射器24和微型白熾燈4不會產(chǎn)生容差或定位問題。
圖5以一個明顯放大的截面圖表明了該測量單元1，帶有反射器24的反射器殼體5以及帶有微型白熾燈4的燈印刷(電路板)10。該微型白熾燈4被焊接在燈印刷(電路板)10上并且通過其長度的一部分被導(dǎo)入到該反射器殼體5的一通孔中，其(通孔)上對著該測量單元1去地連接了該反射器24。燈印刷(電路板)10和反射器殼體5是相互穩(wěn)固連接的。按照描述情況在該燈印刷(電路板)10上固定一個連接銷25，其被擠壓到一個在反射器殼體5中設(shè)置的鉆孔26中。按照圖中描述該測量單元包括一個被安置在一殼體中的測量室K，其在它的面對該反射器24的前側(cè)面上通過該紅外線-帶通過濾器6所封閉并且在它的后側(cè)面上過度到一個為容納該差值微音器3而設(shè)置的擴孔27中。
該反射器24作為優(yōu)選直接由反射器殼體5向外地被加工成并且由金屬或鏡面化的塑料構(gòu)成。重要的是，該反射器表面的紅外線-光學(xué)特性經(jīng)過設(shè)計的使用壽命例如10年仍保持穩(wěn)定不變。
為使該反射器24的型廓最優(yōu)化，該微型白熾燈4的頂點S之位置被確定在一個‘離該測量單元1之這個載有紅外線-帶通過濾器6的進(jìn)入窗口’為例如最大3mm的間距上。并且由此這直接由燈螺旋絲W通過該進(jìn)入窗口射入到該測量單元1中的光線被確定了。然后，該反射器型廓之里邊的直接在微型白熾燈4旁的起始點R0，該第一反射器弧段E1的寬度以及一個在該測量單元1之軸線上安置的第一點F0就被確定了。最后，通過該反射器型廓之這里邊的起始點R0設(shè)置一個橢圓體，它的第一焦點(Brennpunkt)位于該微型白熾燈4之螺旋絲W的位置上并且它的第二焦點通過在該測量單元1之軸線上的該第一點F0構(gòu)成。然后該第一點F0在軸線上被如此長地移動到一個第二點F1的位置上，直至這微型白熾燈4之被反射器弧段E1聚焦到測量單元1中的光線是最多的。通過這些步驟該點R1在反射器型廓上被確定了，該點離所述里邊的起始點R0具有一個與該第一反射器弧段E1之寬度對應(yīng)的間距。
接著該第二的反射器弧段之寬度被確定并且通過在該反射器24之型廓上的該點R1設(shè)置一個橢圓體，其中這個橢圓體的該第一個焦點通過該微型白熾燈4的螺旋絲W構(gòu)成并且該第二焦點通過在測量單元1之軸線上所述的第二點F1構(gòu)成。此后該第二點F1在軸向上被移動到在該傳感器軸線上一個第三點的位置上，在這個位置上該由第二反射器弧段射入到測量單元1中的光線是最多的。因此在反射器24的型廓上一個另外的點被確定，其離該點R1具有一個和該第二弧段之寬度對應(yīng)的間距。
以此方式另外的反射器弧段被確定直至該反射器24的型廓被完整了。
該直射光和通過該反射器24之(折射)光的相加就在測量單元1中獲得這全部的光線以用于這個第一的最優(yōu)化設(shè)計。接著人們移動該燈頂點S并且又執(zhí)行這些已述的步驟直至找出一個最佳的，完整的型廓。在一個簡單的實施結(jié)構(gòu)方案中該反射器24通過一個單獨的橢圓體構(gòu)成。
權(quán)利要求
1.光聲氣體傳感器具有一個測量單元(1)和一個參考單元(2)，一個發(fā)射器裝置和一個微音器裝置以用于測量在測量單元(1)和參考單元(2)之間的壓差，其中該測量單元(1)具有一個進(jìn)入窗口(6)用于從發(fā)射器裝置發(fā)出的射線和該發(fā)射器裝置具有一個光源(4)以及一個將從光源(4)發(fā)出的光線聚焦到該測量單元(1)中的反射器(24)，其特征在于該發(fā)射器裝置被盡可能近地安置在該測量單元(1)的進(jìn)入窗口(6)上，并且該反射器(24)具有一個橢圓體形的結(jié)構(gòu)造型和由相互無縫地過度的并通過對中的橢圓體分段構(gòu)成的弧段(E1)組成。
2.按權(quán)利要求1的光聲氣體傳感器，其特征在于該光源(4)通過一個微型白熾燈構(gòu)成並被軸向地安裝在傳感器中。
3.按權(quán)利要求1或2的光聲氣體傳感器，其特征在于該反射器(24)由金屬或被鏡面化的塑料構(gòu)成。
4.按權(quán)利要求1-3之一的光聲氣體傳感器，其特征在于該光源(4)被安置在這個橢圓體的回轉(zhuǎn)軸線上。
5.用于最優(yōu)化設(shè)計權(quán)利要求1之反射器(24)型廓的方法，其特征在于如下的步驟a，將光源(4)的頂點(S)定位在一個離該測量單元(1)之進(jìn)入窗口(6)之確定小的間距上，b，確定由光源(4)通過進(jìn)入窗口(6)直接進(jìn)入到測量單元(1)中的光線，c，確定該反射器(24)之型廓的這些單個的弧段(E1)，以使從每個弧段(E1)進(jìn)入該測量單元(1)中的光線是最多的，d，確定從整個反射器(24)射入該測量單元(1)中的光線，和e，移動該光源(4)之頂點(S)的位置并重復(fù)該步驟b至d直到找出該反射器(24)的一個最佳的型廓，其中該按照步驟b和d確定的光線份額之總和達(dá)到一個最大值。
6.按權(quán)利要求5的方法，其特征在于在光源(4)之頂點(S)和測量單元(1)之進(jìn)入窗口(6)之間所被確定的小間距計為最多3mm。
7.按權(quán)利要求5或6的方法，其特征在于確定該反射器(24)之型廓的這些單個的弧段(E1)通過如下的步驟實現(xiàn)a，確定該反射器(24)之與光源(4)相鄰的、里邊的起始點(R0)，(確定)該第一弧段(E1)的寬度和一個在該測量單元(1)之軸線上安置的第一點(F0)；b，通過所述里邊的起始點(R0)設(shè)置一個橢圓體，它的第一焦點位于該光源(4)之螺旋絲位置上，并且它的第二焦點通過在該測量單元(1)之軸線上所述第一點(F0)構(gòu)成；c，在軸向上移動該所稱的第一點(F0)到一個第二點(F1)的位置上，其中該從第一反射器弧段(E1)射入測量單元(1)中的光線是最多的，因此在反射器(24)之型廓上一個第二點(R1)被確定，該點(R1)離所述里邊的起始點(R0)具有一個和該第一弧段(E1)之寬度對應(yīng)的間距；d，確定該第二弧段的寬度并且通過在反射器(24)之型廓上所稱的第二點(Rx)設(shè)置一個橢圓體，其中這個橢圓體的第一焦點通過光源(4)之螺旋絲(W)構(gòu)成，並該第二焦點通過在測量單元(1)之軸線上所稱的第二點(F1)構(gòu)成；e，在軸向上移動該所稱第二點(F1)到一個第三點位置上，其中從第二反射器弧段射入測量單元(1)中的光線是最多的；因此一個第三點在反射器(24)的型廓上被確定，其離該反射器(24)上的所稱第二點(R1)具有一個和該第二弧段之寬度對應(yīng)的間距；f，重復(fù)步驟d和e直至該反射器(24)的型廓完整了。
全文摘要
一個光聲氣體傳感器包括一個測量單元(1)和一個參考單元，一個發(fā)射器裝置和一個微音器裝置以用于測量在測量單元(1)和參考單元之間的壓差，其中該測量單元(1)具有一個進(jìn)入窗口(6)以用于這從發(fā)射器裝置發(fā)出的射線。該發(fā)射器裝置被盡可能安置在該測量單元(1)之進(jìn)入窗口(6)的鄰近并包含一個光源(4)以及一個將從光源(4)發(fā)出的光線聚焦到該測量單元(1)中的反射器(24)，其具有一個橢圓體形的結(jié)構(gòu)造型并且由相互無縫地過渡的和通過對中的橢圓體分段構(gòu)成的弧段形成。本發(fā)明還涉及一種優(yōu)化該反射器型廓的方法。
文檔編號G01N21/17GK1847827SQ20051007622
公開日2006年10月18日 申請日期2005年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月15日
發(fā)明者K·穆勒, R·普萊舒, P·斯泰納 申請人:瑞士西門子有限公司